KR100377040B1

KR100377040B1 - 반복 채널 추정

Info

Publication number: KR100377040B1
Application number: KR10-1999-0015588A
Authority: KR
Inventors: 이스라엘 바데이빗; 카를로 루치; 란홍 얀
Original assignee: 루센트 테크놀러지스 인크
Priority date: 1998-04-30
Filing date: 1999-04-30
Publication date: 2003-03-19
Also published as: CN1236242A; AU726062B2; JP2000004190A; BR9901493A; JP3578938B2; CA2269925A1; AU2401099A; CA2269925C; US6459728B1; CN100391205C; DE69935088T2; KR19990083630A; DE69935088D1

Abstract

본 발명은 통신 시스템에서 채널을 통해 전송된 신호에 대한 채널 임펄스 응답을 추정하는 방법 및 장치를 포함한다. 채널 임펄스 응답을 추정하고나서, 그 추정된 채널 임펄스 응답을 이용하여 상기 신호내의 데이터를 추정한다. 다음에 그 출력은 채널 임펄스 응답 추정기에 피드백되고 채널 임펄스 추정을 반복한다. 데이터 추정 및 채널 임펄스 응답 추정은 수 회 반복될 수도 있다. 채널 임펄스 응답 추정 단계는 상관 채널 측정을 이용한다.

Description

반복 채널 추정{Iterative channel estimation}

본 발명은 이동 무선 통신에서의 채널 및 데이터 추정 방법과 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 블록 단위로 데이터 및 채널 추정 절차들을 반복함으로써 채널 왜곡을 보상하는 이퀄라이저에 관한 것이다.

디지털 이동 무선 통신에 있어서, 전송 채널은 주파수 선택 페이딩으로 인해 심각하게 왜곡된다. 또한, 통상적으로 채널 특성들이 고정국들 및 이동국들의 상대 이동으로 인해 시간에 따라 변화를 한다. 그러므로, 신뢰성 있는 전송을 가능하게 하기 위하여, 수신기는 채널 왜곡에 대해 블록 단위로 추정 및 보상을 할 수 있어야 한다. 각종 채널 추정 및 채널 등화(equalization) 방법들이 문헌으로 제안되어 왔으며, 일반적으로 유럽 무선 디지털 셀룰러 표준 "GSM"을 채용하고 있는 이동 셀룰러 통신 시스템과 같은 실제의 시스템들에 이용되고 있다. 대부분의 경우에 수신기는 채널 임펄스 응답(Channel Impulse Response; CIR)의 이해를 기초로 해서, ML(Maximum Likelihood) 또는 MAP(Maximum A Posteriori) 확률 데이터 추정을 이용하여 수신된 신호에 대한 채널 등화를 행한다. 대부분의 실제의 시스템들은 이퀄라이저가 기동하기 전에 CIR이 추정될 수 있도록 트레이닝 시퀀스(training sequence)들을 사용한다. 시간에 따라 빨리 변화하는 페이딩(fading) 채널들은 변화 채널 응답이 수신된 신호의 지속 기간 동안 수신기에 의해 추적되어 동적으로 조정되는 것을 필요로 한다. CIR의 추적(tracking)은 이퀄라이저로부터의 임시 결정들이 최초의 CIR 추정을 갱신하는데 이용되는 경우 결정 지향 알고리즘들에 의해서 행하여진다. 채널 추정 및 채널 등화를 행하는 수신 시스템들의 예들은 다음의 문헌들에서 찾아볼 수 있다: 1988년 6월의 "Bit Synchronisation and Timing Sensitivity in Adaptive Viterbi Equalizers for Narrowband TDMA Digital Mobile Radio Systems", A. Baier, G. Heinrich and U. Wellens, Proc. IEEE Vehicular Technology Conference의 377-384 페이지[참조 문헌 1]; 1989년 4월의 "Correlative and Iterative Channel Estimation in Adaptive Viterbi Equalizers for TDMA Mobile Radio", ITG-Fachbericht No. 107, VDE Verlag의 363-368 페이지 [참조문헌 2]; 1988년 9월의 "Simulation and Hardware Implementation of a Viterbi Equalizers for the GSM TDMA Digital Mobile Radio Systems", A. Baier, G. Heinrich, P. Shoeffel 및 W. Stahl, Proc. 3^rdNordic Seminar on Digital Land Mobile Radio Communications의 13.7.1-13.7.5 페이지[참조문헌 3].

채널 추정 방법의 유효성 및 이에 따른 전체 등화 성능은 초기 CIR 추정의 신뢰성에 크게 의존한다. 트레이닝 시퀀스들과 함께 또는 트레이닝 시퀀스들 없이도 기능할 수 있는 개선된 추정 방법이 요구된다.

본 발명의 제 1 양태에 따르면, 통신 시스템에서 채널을 통해 전송된 신호에 대한 초기 채널 임펄스 응답을 추정하는 방법에 있어서, 채널 임펄스 응답을 추정하는 단계로서, 상관 채널 측정을 이용하여 상기 신호를 트레이닝 시퀀스(training sequence)와 상관시키는 단계를 포함하는, 상기 추정 단계와; 상기 추정된 채널 임펄스 응답을 사용하여 상기 신호내의 데이터를 추정하는 단계와; 상기 추정된 데이터를 출력하는 단계와; 상기 트레이닝 시퀀스 및 상기 출력된 추정 데이터에 의거하여 의사 트레이닝 시퀀스(pseudo training sequence)를 생성하는 단계와; 개선된 채널 임펄스 응답을 추정하는 단계로서, 상관 채널 측정을 이용하여 상기 신호를 상기 의사 트레이닝 시퀀스와 상관시키는 단계를 포함하는, 상기 추정 단계와; 상기 추정된 개선 채널 임펄스 응답을 사용하여 상기 신호내의 데이터를 추정하는 단계와; 상기 추정된 데이터를 출력하는 단계를 포함하는, 초기 채널 임펄스 응답 추정 방법이 제공된다.

본 발명의 제 2 양태에 따르면, 통신에서 채널을 통해 전송된 신호에 대한 초기 채널 임펄스 응답을 추정하는 장치에 있어서, 채널 임펄스 응답을 추정하는 채널 임펄스 응답 추정기로서, 상관 채널 측정을 이용하여 상기 신호를 트레이닝 시퀀스와 상관시키는 수단을 포함하고, 상기 전송된 신호를 수신하기 위한 입력 및 출력을 구비하는, 상기 채널 임펄스 응답 추정기와; 상기 추정된 채널 임펄스 응답을 사용하여 상기 전송된 신호내의 데이터의 추정을 제공하는 데이터 추정기로서, 상기 추정된 채널 임펄스 응답을 수신하기 위한 입력, 상기 전송된 신호를 수신하기 위한 입력 및 출력을 구비하는, 상기 데이터 추정기와; 상기 트레이닝 시퀀스 및 상기 데이터 추정기부터의 상기 출력에 의거하여 의사 트레이닝 시퀀스를 생성하는 생성 수단으로서, 상기 트레이닝 시퀀스를 수신하기 위한 입력, 상기 데이터 추정기로부터의 상기 출력을 수신하기 위한 입력 및 상기 의사 트레이닝 시퀀스를 출력하기 위한 출력을 구비하는, 상기 생성 수단을 포함하고; 상기 채널 임펄스 응답 추정기는 상기 생성 수단의 출력으로부터 상기 의사 트레이닝 시퀀스를 수신하기 위한 입력을 더 포함하고, 상기 의사 트레이닝 시퀀스를 사용하여 개선된 채널 임펄스 응답을 추정하고; 상기 데이터 추정기는 상기 개선된 채널 임펄스 응답을 수신하기 위한 입력을 더 포함하고, 상기 개선된 채널 임펄스 응답을 사용하여 상기 전송된 신호내의 데이터의 추정을 제공하는, 초기 채널 임펄스 응답 추정 장치가 제공된다.

본 발명은 다중 경로 전파 환경의 경우에 수신된 신호의 등화에 필요한 잡음 감소 CIR 추정을 제공하며, 따라서 향상된 수신기 성능을 제공한다.

이퀄라이저 성능은 블록 단위로 데이터 및 채널 추정 절차를 반복함으로써 상당히 개선된다. 특히, 공지된 트레이닝 시퀀스 비트들로 재분류함으로써 초기 채널 추정이 얻어지는 최초의 통과(pass)후에, 이전의 반복시에 도출된 이퀄라이저 출력으로부터의 데이터 심볼 결정을 원래의 트레이닝 시퀀스와 함께 이용하여 1회 이상의 반복을 행해 새로운 CIR 추정을 얻을 수 있다.

정보 비트들이 변조에 앞서 엔코드되는(가능하면 인터리브되는) 시스템들에 있어서, 상기 방법은, a) 채널 디코더 출력을 리엔코딩하는 단계(가능하면 리인터리빙하는 단계) 또는 b) 소프트인/소프트아웃(soft-in/soft-out) 채널 디코더에 의해 제공된 코드화된 비트들에 대한 에이 포스테리오리(A Posteriori) 값들의 최상위 비트를 단순히 취하는 단계(가능하면 리인터리빙 단계)에 의해 얻어지는 보다 신뢰성 있는 결정들을 이용함으로써 가일층 개선될 수 있다(예를 들면, 1997년 10월의 G. Bauch H. Khorram 및 J. Hagenauer의 "Iterative Equalization and Decoding in Mobile Communication Systems", Proc. EPMCC'97, ITG-Fachbericht No. 145, VDE Nerlag의 페이지 307-312[참조문헌 4] 참조). GSM TCH/FS 전송 구조의 특별한 경우에 대해 실행되는 컴퓨터 시뮬레이션들은 종래의 채널 추정 방법(즉, 트레이닝 시퀀스에 의한 상관 채널 측정)과 비교할 때 본 발명이 단 1회의 반복으로도 성능이 현저히 향상됨을 보여준다.

본 발명은 또한 트레이닝 시퀀스가 사용가능하지 않고 데이터 추정이 임의 채널 추정으로 개시됨으로써 행하여지는 경우들에 이용될 수도 있다.

실제적인 디지털 무선 수신기의 상세한 설명은 첨부 도면들을 참조하여 예로서 하기에서 기술된다.

도 1은 통상의 GSM 디지털 무선 수신기를 개략적으로 도시하는 도면.

도 2는 GSM 의 "통상적인" 버스트 포맷을 도시하는 도면.

도 3은 이퀄라이저 출력으로부터의 피드백의 경우에 본 발명에 따르는 디지털 무선 수신기를 도시하는 도면.

도 4는 디코더 출력으로부터의 피드백의 경우에 본 발명에 따르는 디지털 무선 수신기를 도시하는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 스위치 2 : 입력 신호

11 : 데이터 추정 12 : 디인터리버

13 : 채널 디코더 15 : 인터리버

16 : 슬라이서(slicer)

디지털 무선 수신기의 통상적인 실행에 대해 도 1에서 도시하고 있다. 다른 시간으로 수신된 신호는 다음의 수학식 1과 같이 나타내어질 수 있다.

상기 식에서, b(k)는 b(k)∈{-1, 1}로서 전송된 데이터 심볼들 또는 (공지된) 트레이닝 시퀀스 심볼들이며, h(l), l = 0, 1, ..., L-1은 채널 임펄스 응답(CIR)의 샘플들을 나타내고, n(k)는 제로 평균 및 분산 σ²을 갖는 백색 가우스 잡음을 나타낸다.

수신기는 데이터 추정 처리를 시작하기에 앞서 먼저 CIR h(l)을 추정해야 한다. 몇몇의 경우, 예컨대 GSM 표준 수신기의 경우에, 최초 CIR 추정은 일반적으로 상관 채널 측정에 의해서 행하여진다(예를 들면 상술한 참조문헌 1 및 3을 참조한다). CIR 추정의 샘플들은 도 2에 도시된 바와 같이 트레이닝 시퀀스의 26비트중에서 N=16 비트의 b(k)와 수신된 신호 r(k)를 상관시킴으로써 얻어진다. 그 상관에 대한 결과는 다음의 수학식 2와 같다.

상기 수학식 2에서, ħ(l)(l=0,1,...,L-1)은 추정된 CIR의 샘플들을 나타낸다.

l에 대한 ML 채널 추정의 경우에, 다음과 같은 수학식 3을 얻는다.

상기 식 3에서,

GSM 트레이닝 시퀀스(B^TB ≒ NI)의 양호한 자동 상관 특성들로 인해서, 수학식 2는 보다 일반적인 ML 채널 추정 방법(수학식 3)의 특별한 경우임을 알 수 있다. 일단 채널 추정이 이용 가능한 경우, 데이터 심볼 시퀀스의 추정이 행하여진다. 채널이 하나의 버스트내에서 거의 일정하다고 고려될 수 없는 경우, 최초의 채널 추정은 이퀄라이저 출력에서 임시 결정들을 이용함으로써 버스트중에 갱신될 수도 있다(참조문헌 1 참조).

정보 데이터가 엔코드(및 인터리브)되는 경우에, 이퀄라이저 출력 시퀀스는 도 1에 도시된 바와 같이 최종적으로 (디인터리브되고) 디코드된다.

버스트 단위로 행하여진 반복 접속 데이터 및 채널 추정 절차는 1995년 K.H. Chang 및 C.N. Georghiades의 "Iterative Join Sequence and Channel Estimation for Fast Time-Varying Intersymbol Interference", Proc. IEEECC'95, Seattle, W.A.의 페이지 357-361[참조문헌 5]에서 제안되었었다. 상기 연구에 있어서는, 알려져 있는 트레이닝 시퀀스 비트들에 대해 재분류를 함으로써 초기 채널 추정이 얻어지는 최초의 통과(pass) 후에, 1회 이상의 반복이 행해지고, 여기서, 이전의 반복에 대한 이퀄라이저 출력에서의 데이터 심볼 결정들이 사용되어 ML 방법(3)에 의해 새로운 최초 CIR 추정이 얻어진다. 그러나, 상기 ML 방법은 상당한 실행 복잡성을 포함하는 매트릭스 변환 연산들을 필요로 한다. 다른 한편, 이퀄라이저 출력으로부터 피드백된 심볼 결정 시퀀스는 경제적으로 유리한 채널 측정 방법(2)이 필요로 하는 자동 상관 특성들을 일반적으로는 갖고 있지 못하다. 또한, 공지된 트레이닝 시퀀스 비트들을 사용하는 것과는 대조적으로, 심볼 결정 피드백은 소정 수의 에러들을 포함할 수도 있다. 이 때문에, 상관 채널 측정의 이용은 공지된 트레이닝 시퀀스 비트들에 의존하지 않는 채널 추정기들에 대해서는 제안되지 못했었다. 본 발명의 이점은 참조 문헌 5에서 제안된 구조와 관련하여 훨씬 낮은 실행 복잡성에 있다. 또한, 결정 피드백 시퀀스가 일반적으로 채널 측정 방법이 필요로 하는 자동 상관 특성들을 갖고 있지 못하고 결정 피드백 시퀀스가 상당한 수의 에러들을 포함하고 있음에도 불구하고, 상기 단점들은 측정 시퀀스의 길이가 확장되는 경우에 추정 잡음이 현저하게 감소된다는 사실에 의해 보다 더 많이 보상된다. 참조문헌 5와는 대조적으로, 본 발명은 도 4에 도시된 바와 같이 디코더 출력으로부터의 결정 피드백을 이용한다.

본 발명에 따른 수신기의 실시예가 도 4에 도시되어 있다. 본 발명은 도 1의 종래 수신기에 의해 행하여지는 채널 추정, 데이터 추정, 디코딩의 처리들을 반복하는 단계를 포함한다.

상기 반복 절차를 요약하면 다음과 같이 될 수 있다:

1) 수신된 버스트마다, 종래 기술의 방법에 의해 채널 및 데이터 추정이 얻어지는 최초의 통과가 행하여진다. 예컨대, GSM의 경우에, 초기 채널 추정은 상관 채널 측정 추정(2)을 이용함으로써 행하여질 수 있고 가능하면 결정 지향 알고리즘에 의해 버스트중에 갱신될 수 있다. 도 3에서, 스위치(1)는 입력 신호(2)를 선택한다. 초기 채널 추정은 복소 신호(3)에 의해 나타내어진다.

2) 다음으로 1회 이상의 반복이 행해지며, 도 3에서의 이퀄라이저 출력이나 도 4에서의 디코더 출력중 어느 한 출력으로부터의 결정들의 피드백은 초기 채널에 사용된 시퀀스와 비교할 때 측정 데이터 시퀀스의 증가된 길이를 제공하는데 이용된다. 한 예로서, GSM TCH/FS 버스트(ETSI GSM 05.02 : 1996년 11월의 "Digital Cellular Telecommunications System(Phase 2+); Multiplexing and Multiple Access on the Radio Path", Version 5.2.0, )의 경우에, 114 데이터 비트들에 대한 결정들의 피드백은 N=142 비트들의 의사 트레이닝 시퀀스를 제공한다. 이 시퀀스를 사용하면, 새로운 채널 추정이 반복의 최초의 통과에 이용되는 바와 같이 수학식 2에 따라 행해질 수도 있다. 도 3에 있어서, 최초의 통과 후의 반복마다, 스위치(1)는 의사 트레이닝 시퀀스, 신호 4를 선택한다. 이 시퀀스는 실제의 버스트 구조에 있어서 데이터 비트들/슬라이서(slicer; 16)의 출력 및 원래의 트레이닝 시퀀스 비트들(신호 2)을 포맷팅함으로써 얻어진다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이퀄라이저 출력으로부터의 결정 피드백의 경우에, 슬라이서(16)는 블록(11)의 출력에서의 입력 신호를 선택하고 라인(5)상에 그 출력 신호를 제공한다.

정보 비트들이 변조에 앞서 엔코드(가능하면 인터리브)되는 시스템들에 있어서, 도 3의 수신기의 성능은 도 4에 도시된 바와 같이 디코더 출력으로부터 얻어지는 보다 신뢰성 있는 결정들의 피드백을 이용함으로써 더욱 개선될 수 있다. 반복 등화 및 디코딩 구성을 실행하는 수신기에 있어서, 심볼 결정들은 소프트인/소프트아웃 채널 디코더에 의해 제공된 코드화된 비트들에 대한 Posterior 값들로부터 얻어질 수 있다(참조문헌 4 참조).

디코더 출력으로부터의 피드백의 경우에, 슬라이서(16)는 블록(13)의 출력에서의 신호를 선택한다. 블록(14)은 입력 신호 6을 수신하고, 이 신호는, a) 채널 디코더의 하드 출력(hard-output)의 리엔코드된(그리고 리인터리브된) 버전(version), 또는 b) 반복 등화 및 디코딩 체계(예컨대, 참조문헌 4 참고)에 통상적으로 사용되는, 소프트인/소프트아웃 디코더에 의해 제공된 코드화된 비트들에 대한 로그 확률비(log-likelihood ratio)(또는 L 값들)들의 (리인터리브된) 최상위 비트를 나타낸다. 이런 차이와는 달리, 채널 추정기는 상기 단계 (1) 및 (2)에 대해 기술한 동일한 방법에 따라 기능한다.

시뮬레이션 결과는, GSM 시스템의 경우에 본 발명에 의해 단 한번의 반복 이후에 수신 감도와 관련하여 약 0.8∼1.2dB 정도 개선되고 있음을 증명해준다. 이퀄라이저에 의해 제공된 데이터 추정들을 이용하면 약 0.8dB 그리고 채널 디코더의 출력으로부터의 피드백을 이용하면 약 1.2dB 개선된다. 이것은 낮은 실행 복잡도 이외에도, 특히 ML 채널 추정기를 이용하는 것과 비교하면 본 발명이 디지털 이동 무선 수신기들에 특히 적합하게 되도록 한다.

채널 디코더 출력으로부터의 결정 피드백의 반복 방법은 또한 트레이닝 시퀀스가 이용 불가능하고 데이터 추정이 임의의 채널 추정으로 시작하여 행해지는 경우들에도 사용될 수 있다.

Claims

통신 시스템에서 채널을 통해 전송된 신호에 대한 초기 채널 임펄스 응답을 추정하는 방법에 있어서,

a) 채널 임펄스 응답을 추정하는 단계로서, 상관 채널 측정을 이용하여 상기 신호를 트레이닝 시퀀스(training sequence)와 상관시키는 단계를 포함하는, 상기 추정 단계와;

b) 상기 추정된 채널 임펄스 응답을 사용하여 상기 신호내의 데이터를 추정하는 단계와;

c) 상기 추정된 데이터를 출력하는 단계와;

d) 상기 트레이닝 시퀀스 및 상기 출력된 추정 데이터에 의거하여 의사 트레이닝 시퀀스(pseudo training sequence)를 생성하는 단계와;

e) 개선된 채널 임펄스 응답을 추정하는 단계로서, 상관 채널 측정을 이용하여 상기 신호를 상기 의사 트레이닝 시퀀스와 상관시키는 단계를 포함하는, 상기 추정 단계와;

f) 상기 추정된 개선 채널 임펄스 응답을 사용하여 상기 신호내의 데이터를 추정하는 단계와;

g) 상기 추정된 데이터를 출력하는 단계를 포함하는, 초기 채널 임펄스 응답 추정 방법.
제 1 항에 있어서,

단계 e) 내지 g)는 적어도 1회 반복되는 것을 특징으로 하는, 초기 채널 임펄스 응답 추정 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 신호는 블록들로 전송되는 것을 특징으로 하는, 초기 채널 임펄스 응답 추정 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 채널 임펄스 응답은 블록마다 추정되는 것을 특징으로 하는, 초기 채널 임펄스 응답 추정 방법.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

단계 e) 내지 g)는 블록 단위로 행하여지는 것을 특징으로 하는, 초기 채널 임펄스 응답 추정 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 채널 임펄스 응답 추정 단계는 데이터의 한 블록과 관련 있는 것을 특징으로 하는, 초기 채널 임펄스 응답 추정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제공된 출력은 상기 추정된 데이터를 나타내는 것을 특징으로 하는, 초기 채널 임펄스 응답 추정 방법.
통신에서 채널을 통해 전송된 신호에 대한 초기 채널 임펄스 응답을 추정하는 장치에 있어서,

채널 임펄스 응답을 추정하는 채널 임펄스 응답 추정기로서, 상관 채널 측정을 이용하여 상기 신호를 트레이닝 시퀀스와 상관시키는 수단을 포함하고, 상기 전송된 신호를 수신하기 위한 입력 및 출력을 구비하는, 상기 채널 임펄스 응답 추정기와;

상기 추정된 채널 임펄스 응답을 사용하여 상기 전송된 신호내의 데이터의 추정을 제공하는 데이터 추정기로서, 상기 추정된 채널 임펄스 응답을 수신하기 위한 입력, 상기 전송된 신호를 수신하기 위한 입력 및 출력을 구비하는, 상기 데이터 추정기와;

상기 트레이닝 시퀀스 및 상기 데이터 추정기부터의 상기 출력에 의거하여 의사 트레이닝 시퀀스를 생성하는 생성 수단으로서, 상기 트레이닝 시퀀스를 수신하기 위한 입력, 상기 데이터 추정기로부터의 상기 출력을 수신하기 위한 입력 및 상기 의사 트레이닝 시퀀스를 출력하기 위한 출력을 구비하는, 상기 생성 수단을 포함하고;

상기 채널 임펄스 응답 추정기는 상기 생성 수단의 출력으로부터 상기 의사 트레이닝 시퀀스를 수신하기 위한 입력을 더 포함하고, 상기 의사 트레이닝 시퀀스를 사용하여 개선된 채널 임펄스 응답을 추정하고;

상기 데이터 추정기는 상기 개선된 채널 임펄스 응답을 수신하기 위한 입력을 더 포함하고, 상기 개선된 채널 임펄스 응답을 사용하여 상기 전송된 신호내의 데이터의 추정을 제공하는, 초기 채널 임펄스 응답 추정 장치.